Hoog-resolutie Hersen Simulaties Onthullen Hoe Infectieuze Zaden Verspreiden in Neurodegeneratieve Ziekten

• Nieuw model onderzoekt hoe infectieuze zaden diffunderen door de oneffen structuur van de hersenen.
• Onderzoekers gebruikten MRI-scans van een volwassen hersen om hoog-resolutie simulaties in zowel 2D als 3D te maken.
• Deze simulaties hercreëren het schadepatroon dat waargenomen wordt in talloze neurodegeneratieve stoornissen.

Neurodegeneratieve ziekten die geassocieerd zijn met leeftijd, zijn veelzijdige en complexe pathologieën. In de meeste gevallen is hun groei nauw verbonden met de progressie van bepaalde proteïne-aggregaten bekend als prionen.

Prionen zijn infectieuze zaden die een kettingreactie van proteïne-aggregatie en misvouwing triggeren, wat conformationele autocatalyse produceert. Stap voor stap breiden deze zaden zich uit, fragmenteren en verspreiden ze naar andere hersengebieden. Dit beïnvloedt het normale functioneren van het zenuwstelsel en veroorzaakt cerebrale atrofie, necrose en uiteindelijk de dood. Dit is precies wat gebeurt bij de ziekte van Parkinson, Alzheimer en ALS.

Nu hebben onderzoekers van het Stevens Institute of Technology, Stanford University en University of Oxford een nieuw model ontwikkeld dat onderzoekt hoe deze infectieuze zaden diffunderen door de oneffen structuur van de hersenen. Het toont aan dat de distributie van toxische moleculen in alle ziekten afhangt van de locatie waar deze moleculen voor het eerst verschenen.

De simulaties wijzen erop dat hersenschade voornamelijk ontstaat door de verwijdering van hersencellen die zijn gescheurd door de fysieke impact. Auteurs geloven dat hun tool wetenschappers zal helpen de progressie van ernstige hersenstoornissen te blokkeren.

Het Model Negeert Biochemie

Bij veel neurodegeneratieve ziekten blijven de initiële toxische moleculen onduidelijk, maar ze kopiëren zichzelf om op een specifieke manier mis te vouwen. De ziekte progresseert naarmate de misgevormde proteïnen zich door de hersenen uitbreiden en samenkloffen in klonters en vezels.

Dit nieuwe model negeert biochemische en cellulaire mechanismen en vertegenwoordigt puur de fundamentele processen van voortplanting en groei van schadelijke proteïnen.

In plaats van te reizen door het vloeistof buiten de cellen, bewegen toxische moleculen in de hersenen zich door neuronen (netwerk van zenuwcellen). Elke zenuwcel bestaat uit een kern en een axon dat elektrische signalen naar andere zenuwcellen overbrengt. Axonen staan voor het grootste deel van de witte stof van de hersenen, terwijl hun cellichamen de grootste hoeveelheid grijze stof bevatten.

Referentie: APS Physics | doi:10.1103/PhysRevLett.121.158101 | Oxford University

In dit model diffunderen toxische moleculen langs axonen met een bepaalde snelheid en reizen ze door de witte stof. Ze diffunderen ook in extracellulaire gebieden, maar met een veel langzamere snelheid. In de grijze stof diffunderen deze moleculen isotropisch met een gemiddelde snelheid. Zodra ze in een nieuw gebied diffunderen, creëren ze kopieën van zichzelf met een bepaalde snelheid die afhangt van het aantal toxische proteïnen dat in die gebieden aanwezig is.

Simuleren Van Toxische Proteïnen Binnen De Hersenen

Klinische data (boven) vs. simulatie (onder) | pijlen tonen de voortplanting van toxische proteïnen in Alzheimer | Credit: A. Goriely / Oxford University

Om hoog-resolutie simulaties in zowel 2D als 3D te maken, gebruikten auteurs MRI-scans van een volwassen hersen. De 2D-computersimulaties werden uitgevoerd in verticale sneden (zijde-naar-zijde of voor-naar-achter), en 3D-simulaties bedekten de complete hersenen.

Vervolgens kartten ze de klinische data van de progressie van de ziekte van Parkinson en Alzheimer. Volgens deze data beginnen de toxische proteïnen op een bepaalde locatie en verspreiden ze zich in een specifiek patroon. Auteurs voerden deze initiële condities in hun simulaties in en vonden dat de simulaties het patroon dat geassocieerd is met elke stoornis nauwkeurig hercreëerden.

Lees ook: De Ongeziene Blik Op Het Menselijk Brein Via Organ Chips

Het model kan wetenschappers helpen meer te leren over de biochemie door de fysieke aspecten in rekening te brengen. De simulaties tonen duidelijk dat diffusie een grote rol speelt in de progressie van neurodegeneratieve stoornissen. Het zou nieuwe richtingen kunnen geven aan toekomstig interdisciplinair onderzoek.